Pierwsza molekuła

O ile mechanizm tworzenia się atomów został dobrze poznany, o tyle proces powstawania pierwszych związków chemicznych nadal pozostaje przedmiotem intensywnych badań. Jakieś 100 lat temu pojawiła się teoria, że niedługo po narodzinach wszechświata obojętny atom helu i jądro wodoru połączyły się, tworząc jon molekularny o wzorze HeH⁺. Udało się go nawet zsyntetyzować w 1925 r. na University of California w Berkeley, ale związek ten był zbyt nietrwały, by dokładniej poznać jego właściwości. Mimo to naukowcy uważali, że to właśnie HeH⁺ jest przodkiem wszystkich znanych nam dziś związków chemicznych. Tak więc przez lata badacze kosmosu kierowali swoje urządzenia w gwiazdy w celu namierzenia tajemniczego jonu. Niedawno ich wysiłki zostały nagrodzone…

Teoria Wielkiego Wybuchu

Żeby w pełni zrozumieć proces formowania się HeH⁺, należy cofnąć się 13,8 mld lat do momentu Wielkiego Wybuchu… Podczas narodzin wszechświata powstała gorąca i gęsta zupa cząstek elementarnych, składająca się m.in. z elektronów, fotonów i kwarków. Szybka ekspansja kosmosu i, co za tym idzie, obniżanie jego temperatury pozwoliły na formowanie się nowych drobin. W mniej niż mikrosekundę po Wielkim Wybuchu kwarki połączyły się ze sobą, dając początek protonom i neutronom. Te ostatnie z kolei kilka minut później utworzyły pierwsze jądra atomowe: wodór (pojedynczy proton), deuter (proton i neutron), hel (dwa protony i dwa neutrony) oraz lit (trzy protony i trzy lub cztery neutrony).

Łącząc się z tyloma elektronami, ile zawierają protonów, dodatnio naładowane jądra tworzą atomy, które są elektrycznie obojętne. Jednak w pierwszych momentach istnienia wszechświata, gdy jego temperatura wciąż pozostawała bardzo wysoka, proces ten był utrudniony. W rekombinacji przeszkadzały bowiem wysokoenergetyczne fotony, które ciągle wybijały elektrony z ich połączeń z jądrami. Będące w nieustannej interakcji z elektronami, fotony nie mogły się swobodnie przemieszczać na duże odległości. Wskutek tego kosmos pozostawał nieprzejrzysty przez setki tysięcy lat. Dopiero dalszy spadek temperatury sprawił, że uformowały się pierwsze trwałe atomy, co z kolei pozwoliło na oddzielenie się fotonów od materii. Pamiątką po tamtych wydarzeniach jest mikrofalowe promieniowanie tła kosmicznego (tzw. promieniowanie reliktowe), które możemy obserwować do dzisiaj.

Hel pierwszy utworzył atomy neutralne. Dlaczego właśnie hel, a nie np. wodór czy lit? Elektrony krążą wokół jąder po tzw. powłokach. Każda z nich może przyjąć ściśle określoną maksymalną liczbę elektronów, a zapełnienie powłoki elektronowej skutkuje wyjątkową trwałością tak powstałego atomu. Hel i wodór posiadają tylko jedną taką powłokę, a maksymalna liczba elektronów, jaka się może na niej znaleźć, to dwa. Jednak wodór, który posiada jeden proton, łączy się tylko z jednym elektronem. Hel natomiast może przyjąć ich dwa. Innymi słowy, wodór ma zapełnioną powłokę jedynie w połowie, podczas gdy hel – całkowicie. Jest to układ bardzo korzystny energetycznie, skutkujący tym, że hel (najlżejszy gaz szlachetny) wyjątkowo niechętnie łączy się z innymi pierwiastkami.

Astromolekuły

Wszechświat przez krótki czas zawierał zatem neutralne atomy helu i znaczną ilość jąder wodoru (samych protonów), które zaczęły ze sobą oddziaływać – dodatnio naładowane jądra wodoru zostały przyciągnięte przez elektrony w nowo powstałych atomach helu. W ten sposób wyłoniło się pierwsze, choć bardzo słabe, wiązanie chemiczne, dające początek związkowi HeH⁺, zwanemu „wodorkiem helu” lub „helonium”. Fakt, że hel był pierwszym pierwiastkiem tworzącym wiązania chemiczne, wydaje się dzisiejszym chemikom trochę zaskakujący, ale krótko po Wielkim Wybuchu sytuacja była bardzo szczególna: atomy helu były jedynym „bankiem elektronów”, który „pożyczał” je dodatnim ładunkom, czyli protonom. Poza tym panowały zupełnie inne warunki, w których nieustannie dochodziło do zderzeń protonów i helu, w wyniku czego powstał właśnie HeH⁺.

Scenariusz ten potwierdzono licznymi obliczeniami teoretycznymi, ale nadal brakowało konkretnych dowodów eksperymentalnych. Jon HeH⁺ był szczególnie nieuchwytny. Zanim go znaleziono, naukowcy wykryli w kosmosie ponad 200 związków chemicznych. Niektóre z nich – jak woda (H₂O), amoniak (NH₃) czy formaldehyd (CH₂O) – są szeroko rozpowszechnione na Ziemi, podczas gdy inne wydają się o wiele bardziej egzotyczne: H₂Cl⁺, HO₂ czy ArH⁺. Na szczególną uwagę zasługuje historia odkrycia fulerenów, czyli cząsteczek składających się z parzystej liczby atomów węgla ułożonych w zamkniętą, pustą w środku bryłę.

Najpierw udało się stworzyć (w warunkach laboratoryjnych) fuleren złożony z 60 atomów węgla (C₆₀), za co Harold Kroto z University of Sussex oraz Robert Curl i Richard Smalley z Rice University otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii w 1996 r. Prawie ćwierć wieku później C₆₀ i jego kuzyn C₇₀ zostały zaobserwowane w mgławicy planetarnej Tc1 w konstelacji Łabędzia. Od razu nasunęła się teoria, że fulereny powstają tam z tzw. wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych. Kilka lat później w kosmosie znaleziono benzonitryl (C₆H₅-CN) z pojedynczym pierścieniem atomów węgla oraz dwupierścieniowy cyjanonaftalen (C₇H₇-CN), co pokazuje, że naukowcy są na dobrej drodze, aby potwierdzić swoje przypuszczenia.

HeH⁺

Mimo znacznych postępów w poszukiwaniu związków chemicznych w kosmosie HeH⁺ pozostawał niewidoczny dla astrochemików. Znalezienie go było dla naukowców niezwykle istotne, gdyż uważali, że właśnie tej pierwotnej kombinacji atomu helu i jądra wodoru zawdzięczamy narodziny chemii…

Jądro wodoru jako drugie po helu zaczęło tworzyć obojętne atomy. Często zderzały się one z HeH⁺, co skutkowało zerwaniem słabego wiązania i utworzeniem nowego i silniejszego połączenia: H₂⁺. Doprowadziło to później do powstania wodoru cząsteczkowego H₂ w formie, jaką znamy dziś. Pojawienie się H₂ dało początek cyklowi przemian, które kolejno doprowadziły do jonów H3⁺, CH⁺, CH₂⁺ itd. W końcu powstały molekuły wody, etanolu i innych większych cząsteczek. Niektórzy naukowcy uważają, że bez HeH⁺ wszechświat byłby zupełnie inny od tego, który znamy.

W 2013 r. pojawiła się iskra nadziei. Wtedy to w Mgławicy Kraba odkryto jon ArH⁺, zawierający argon, który podobnie jak hel jest gazem szlachetnym. Naukowcy skoncentrowali zatem swoje badania na podobnych bardzo gorących środowiskach, ale ze względu na ograniczenia aparaturowe nadal nie byli w stanie potwierdzić istnienia HeH⁺. Sygnały generowane przez wodorek helu były zbyt podobne do rodnika CH (pierwszego związku chemicznego odkrytego w kosmosie). To właśnie wtedy powołano Stratosferyczne Obserwatorium Astronomii Podczerwonej, czyli Sofia (od Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy), będące wynikiem współpracy NASA i Niemieckiego Centrum Aeronautyki i Astronautyki. Jest to teleskop działający na podczerwień i umieszczony z boku samolotu Boeing 747, w którym wykonano otwór umożliwiający teleskopowi prowadzenie obserwacji na dużych wysokościach. W maju 2016 r. Sofia przez trzy noce skanowała przestrzeń kosmiczną w celu poszukiwania HeH⁺. Po drobiazgowej analizie zebranych danych wynik został opublikowany w 2019 r.: w pozostałościach supernowej w mgławicy planetarnej NGC 7027 w konstelacji Łabędzia odkryto tak długo poszukiwany związek wodoru i helu.

Co prawda, wykryte jony nie pochodzą z pierwotnego wszechświata, ale ten przełom pomoże udoskonalić naszą wiedzę na temat tego związku chemicznego i powstawania pierwszych molekuł. Odkrycie dostarcza także wskazówek co do warunków panujących miliardy lat temu, kiedy wodorek helu był jedynym związkiem chemicznym obecnym w przestrzeni kosmicznej. Naukowcy zamierzają przeszukać inne mgławice planetarne i widoczne obszary kosmosu, aby potwierdzić, że HeH⁺, choć tak niezwykły, występuje powszechnie we wszechświecie.

Justyna Jońca
Z wykształcenia chemik. Zdobyła tytuł doktora nauk chemicznych na Uniwersytecie Paul Sabatier w Tuluzie. Ma 10-letnie doświadczenie w badaniach naukowych obejmujących zagadnienia z chemii analitycznej, chemii materiałów oraz nanotechnologii. Popularyzacja nauki to jej pasja. Z miesięcznikiem „Wiedza i Życie” współpracuje od 2016 r.

***

Cząstki elementarne – słownik

Kwark to niepodzielna cząstka elementarna. Kwarki nie występują samodzielnie, lecz w hadronach, czyli układach cząstek.

Proton to składnik jądra atomowego obdarzony elementarnym ładunkiem dodatnim i zbudowany z trzech kwarków (dwóch górnych i jednego dolnego).

Neutron to obok protonu składnik jądra atomowego. Neutron składa się z trzech kwarków (dwóch dolnych i jednego górnego) i nie jest obdarzony ładunkiem elementarnym.

Elektron to jeden z głównych składników atomu, posiadający elementarny ładunek ujemny.

Atom składa się z dodatnio naładowanego jądra (zbudowanego z protonów i neutronów) oraz ujemnie naładowanych elektronów, krążących wokół tego jądra po tzw. powłokach elektronowych. W obojętnym atomie liczba protonów i elektronów jest taka sama.

Foton wykazuje dualizm korpuskularno-falowy, ma więc równocześnie cechy cząstki i fali elektromagnetycznej.